海底噴射式挖溝技術(shù)研究

張繼旭，傅文志，宋昊政，吳健行，張頡

（深圳海洋工程技術(shù)服務(wù)有限公司，廣東 深圳 518054）

0 引言

隨著海上系統(tǒng)（風(fēng)電場、石油、天然氣等）的發(fā)展，海底電纜和管道已成為連通海上領(lǐng)域的重要能源渠道。而近年來海底管纜數(shù)目的大量增加也大大增加了對挖溝作業(yè)的需求量。海底挖溝的做法始于20世紀(jì)50年代早期[1]，目的是減少對海底設(shè)施[2-4]的相關(guān)風(fēng)險。當(dāng)海底管纜沒有被充分保護(hù)時，它們可能會受到船錨、漁業(yè)活動、冰山甚至是從船上落下的集裝箱的破壞。美國能源部對眾多海域的1061條海底電纜發(fā)生故障的原因進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果顯示82%的電纜故障是由于外部活動造成的損傷等破壞[2]。相關(guān)研究人員對海底電纜故障的調(diào)查結(jié)果[3]也佐證了這一點。

世界上第一臺噴射式挖溝機出現(xiàn)于1950年[4]，這種挖溝設(shè)備主要包括水上和水下兩個組成部分：其中水下部分包括氣舉排泥管路、噴水框架和浮筒等；水上部分主要包括空壓機和水泵等，并通過軟管與水下部分連接。隨著科學(xué)的不斷進(jìn)步，人們已經(jīng)可以將高壓水泵安裝到挖溝機的海底裝置上，在監(jiān)測儀器的配合下利用電纜操作高壓水泵吸排泥沙，這就是牽引式噴射挖溝機[5]。自推進(jìn)式（ROV）噴射式挖溝機是指采用液壓驅(qū)動的滾輪或推拉夾鉗已鋪設(shè)好的海底管道，或以跨坐在海底管線的履帶裝置獲得推進(jìn)的海底噴射式挖溝機。與牽引式和滑靴式相比，ROV噴射式挖溝對支持母船的位置精度要求低，受海域天氣狀況影響不大。目前研究人員對噴射式挖溝技術(shù)的研究主要集中于挖溝設(shè)備對軟質(zhì)海床土的適應(yīng)性[6]、挖溝機在深水的工作效率[7]、管纜受挖溝影響損壞的風(fēng)險及挖溝對海洋環(huán)境產(chǎn)生的影響等方面[8-9]。

本文首先對海底噴射式挖溝技術(shù)的背景，國內(nèi)外常見的主流噴射式挖溝設(shè)備及其原理進(jìn)行了綜述，在此基礎(chǔ)上介紹了ROV噴射式挖溝機QT1600在陽江青州三海上風(fēng)電場海纜后挖溝的工程應(yīng)用實例，并對35 kV海纜后挖溝的時效，220 kV海纜路由區(qū)挖溝機的工作效率與下刀深度、噴臂壓力、反饋壓力的動態(tài)關(guān)系進(jìn)行了簡要分析。

1 主流噴射式挖溝機設(shè)備

挖溝機設(shè)備類型及規(guī)格的選擇取決于許多因素，而其中土壤性質(zhì)是諸多因素中最關(guān)鍵的[6]。機械式挖溝機通常是硬黏土和粗粒度材料的最佳選擇，然而其在軟沉積物或較為陡峭的海床環(huán)境中保持穩(wěn)定性仍存在一些困難：有研究表明，在非常軟的土壤中，機械刀具的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)卡在沙子或黏土中可能會造成損壞，導(dǎo)致了相對較高的維護(hù)成本[10]。噴射式挖溝機則在砂土和粉質(zhì)黏土海床基礎(chǔ)上具有優(yōu)勢，這主要得益于它自身的噴刀上噴嘴分布及高壓水形成噴射流的特性。不同的噴嘴分布和水土相互作用則決定著溝槽的幾何形狀和挖溝效率。挖溝機選型的另一個不可忽視的方面是水深對于挖溝機挖溝效率的影響。隨著工作水深的增加，拖曳式和機械式挖溝機往往會因依賴主作業(yè)船拖曳力而導(dǎo)致自身機動性不足從而使工作效率降低[11]。在這種情況下，需要一種保證挖溝作業(yè)穩(wěn)定性的方法，即噴射式挖溝。此外，由于其效率和成本效益，這種方法被越來越多地被用來滿足淺水和深水區(qū)（軟土）海上作業(yè)的要求。圖2給出了不同挖溝方法[12]在土壤強度、作業(yè)水深這兩方面的能力概況。

根據(jù)實際工程和操作人員的不同要求目前也產(chǎn)生了諸多不同規(guī)格類型的噴射式挖溝機。典型代表諸如COOEC旗下的QT1600如圖3（b）所示，寬5.0 m，長7.8 m，高6.0 m；質(zhì)量（空氣/水中）為47 t/15 t；破土強度≤100 kPa；工作水深為20～2000 m 。一般噴施式挖溝機在空氣中的質(zhì)量（當(dāng)搭配有履帶時） 從21 772 kg（T1000）到57 153 kg（UT-1）不等。圖3列舉了一些常見的噴射式挖溝機型號，其中UT-1（Ultra Trencher 1）由于2.1 MW的總功率及有效水泵（4× 375 kW）被認(rèn)為是世界上最強大的噴射式挖溝機之一。此外，UT-1噴射臂的設(shè)計也讓它在砂土和黏土中保持了不錯的作業(yè)效率。表1總結(jié)了一些常見的噴射式挖溝機的主要規(guī)格和性能指標(biāo)。

與ROV式挖溝機相比，滑靴拖曳噴射式挖溝機有埋深大（最大埋深可達(dá)4.5 m）、故障率低、經(jīng)濟性強的特點，但它在深水范圍的應(yīng)用十分有限。ROV式挖溝機需要DP2支持母船[13]，也能夠依靠自身動力在較深的水域工作。但它在灘海區(qū)作業(yè)及處理剪切強度大于100 kPa的土壤時，挖溝效率會大幅度降低：這主要是由于灘海區(qū)表層土軟，淤泥土層厚度較大，挖溝機在正常的行進(jìn)中不僅打滑甚至在許多路由區(qū)域出現(xiàn)履帶下陷嚴(yán)重甚至無法前進(jìn)的情況；其次是灘海區(qū)的淺水環(huán)境使得挖溝機部分電動機溫度過高和其定位信標(biāo)頻繁失位[14]。

2 噴射式挖溝技術(shù)原理

2.1 挖溝原理

噴射式挖溝的基本原理是：利用噴射泵通過挖溝機噴射臂上的噴嘴形成高壓水柱，將海床打散并進(jìn)行稀釋液化，再通過挖溝機抽吸臂將液化的土壤排出溝外從而形成溝槽，如圖4[15]所示。

還有一種噴射式挖溝技術(shù)稱為非接觸式后挖溝，如圖5[16]所示，它的工作機理是：使用大流量軸流泵抽水噴沖海床，通過水流將管底土壤泥沙帶走，形成溝槽[16]。該方法最大的優(yōu)勢在于不會對海管表面造成接觸性損壞。它在土壤剪切強度不超過40 kPa時效率較高，適合在軟泥及粗沙地質(zhì)條件下挖溝作業(yè)。但受限于其高流量的特性，不適宜在深水區(qū)域工作，且溝型質(zhì)量難以控制，后期自然回填比較困難。

海床在經(jīng)過挖掘后，一般會在一定時間內(nèi)進(jìn)行溝土自然回填過程（如圖6），自然回填過程通常比較緩慢，而且溝槽的回填程度難以確定。如果回填土為黏土，由于這類土壤的滲透性較低，固結(jié)排水消耗的時間比較長，強度恢復(fù)將需要很長時間[17]。

2.2 挖溝過程

以ROV 式挖溝機QT1600為例，其主要有試挖溝、起始造坡、正常挖溝、結(jié)束造坡等施工步驟，下面對這些步驟進(jìn)行簡述。

2.2.1 試挖溝

定位工程師在定位圖中標(biāo)記出試挖溝的起點、終點和路由。選定挖溝起點側(cè)半徑200 m范圍內(nèi)的一個無相關(guān)作業(yè)及水下生產(chǎn)設(shè)施干涉的試挖溝區(qū)域；下放挖溝機，使挖溝機脫離Cursor，ROV進(jìn)行實時監(jiān)控，并回收Cursor至甲板；調(diào)整挖溝機的位置和艏向，艏向朝向挖溝行進(jìn)方向，下放噴射臂，使噴射臂尖端緩慢接近海床；當(dāng)噴射臂尖端接觸到海床時，啟動噴射臂的噴頭；挖溝機沿著挖溝方向行進(jìn)，同時操作挖溝機噴射臂由淺至深插入進(jìn)行起始試造坡，移船跟隨。

2.2.2 起始造坡

移船至正式挖溝起始點；調(diào)整挖溝機的位置和艏向，艏向朝向挖溝行進(jìn)方向，挖溝機的中心線與管纜中心線對準(zhǔn)；根據(jù)試挖溝記錄，下放噴射臂使噴射臂尖端緩慢接近海床，同時注意觀察管纜是否位于噴射臂中間，假如不是，則需要及時微調(diào)挖溝機自身左右的位置；當(dāng)噴射臂尖端接觸到海床時，啟動噴射臂的噴頭，挖溝機沿著挖溝方向行進(jìn)。挖溝行進(jìn)時，應(yīng)根據(jù)造坡需要，調(diào)整噴射臂尖端的入泥深度以控制溝深。當(dāng)目標(biāo)深度為3 m時，造坡水平距離應(yīng)控制在30 m左右為宜。

2.2.3 正常挖溝

當(dāng)完成管纜路由起始造坡后，開始沿路由進(jìn)行正常挖溝；隨后保持起始造坡結(jié)束時的挖溝機前進(jìn)速度挖溝，主作業(yè)船配合挖溝機行進(jìn)速度沿管纜路由移動，確保挖溝過程臍帶纜處于半松弛狀態(tài)。

2.2.4 結(jié)束造坡

挖溝行進(jìn)時不斷回收噴射臂，調(diào)整噴射臂尖端的入泥深度以控制溝深，結(jié)束造坡控制在30 m逐漸減小挖溝深度至海床面，與起始造坡過程相反。關(guān)閉噴射臂噴頭，回收噴射臂，回收挖溝機臍帶纜，下放Cursor，下放ROV進(jìn)行監(jiān)控，提升挖溝機回到Cursor上，并鎖定；啟動提升絞車，將挖溝機提升到水面以上；調(diào)整A架角度，將挖溝機移動到船舶甲板上方；最后使其緩慢坐落在甲板上，并固定好。

3 實際案例應(yīng)用

3.1 項目概況

如圖10所示，陽江青洲三海上風(fēng)電場海纜送出工程規(guī)劃裝機容量500 MW，擬安裝單機容量6.8 MW的風(fēng)力發(fā)電機組37臺，安裝單機容量8.3 MW的風(fēng)力發(fā)電機組30臺，一座220 kV海上升壓站，配套建設(shè)陸上集控中心及租用運維碼頭。青洲三場址內(nèi)風(fēng)電機組發(fā)出電能通過35 kV集電海底電纜接入海上升壓站，升壓站通過采用2回220 kV三芯3×1000 mm2XLPE絕緣海底電纜送至陸上集控中心。

圖1 不同水深下對海底電纜故障的調(diào)查結(jié)果

圖2 不同挖溝技術(shù)的能力范圍

圖3 常見的噴射式挖溝機型號

圖4 噴射式挖溝方法的概念說明圖

圖5 非接觸式后挖溝方法概念說明圖

圖7 挖溝機試挖溝示意圖

圖8 造坡段示意圖

圖9 正常挖溝現(xiàn)場拍攝照片

圖10 海纜路由示意圖

本項目挖溝工作內(nèi)容是對新建的35 kV海纜和西側(cè)已鋪69.301 km、220 kV海纜進(jìn)行后挖溝保護(hù)作業(yè)，其中挖溝設(shè)備為ROV式噴射式挖溝機QT1600。

3.2 海纜參數(shù)

2回220 kV海纜從海上升壓站輸送電力至陸上集控中心。本項目需對西側(cè)（HR）已鋪海纜進(jìn)行后挖溝保護(hù)作業(yè)。220 kV海纜（HR）設(shè)計路由長度為69.301 km。

35 kV海纜連接不同風(fēng)機平臺，共計15條，長度介于761～2569 m。需進(jìn)行后挖溝保護(hù)作業(yè)的35 kV 海纜統(tǒng)計如表2所示。

表2 風(fēng)機平臺-風(fēng)機平臺35 kV海纜統(tǒng)計表

3.3 水深及海底坡度

220 kV海纜路由區(qū)除礁石區(qū)域外，整體路由區(qū)域地形特征表現(xiàn)為整體地勢平緩、由北向南水深從0 m增大到約45.5 m。

35 kV集電海纜區(qū)離岸最近距離約55 km，水深在41～46 m之間，海纜沿線地形較為平坦，總體上海床自北往南緩緩降低。

3.4 土壤性質(zhì)

220 kV海纜路由區(qū)從淺地層剖面和地質(zhì)取樣結(jié)果綜合看，KP0+125 m至KP5+890路由區(qū)及KP9至KP9+525路由區(qū)是礁石區(qū)域和粗砂礫石底質(zhì)區(qū)域。其它海域普遍存在表層淤泥-黏土-粉砂形成的薄海相沉積地層，厚度1～5 m。遠(yuǎn)岸段淤泥質(zhì)土的厚度較大，有利于海纜的埋設(shè)施工。黏土層抗剪強度均值介于4.0～30.0 kPa，平均值約為13.5 kPa，大致呈現(xiàn)出由上至下逐漸增大的趨勢。

根據(jù)35 kV海纜路由地球物理綜合探測情況，淺地層剖面探測在海底面5 m內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)明顯的反射層，推斷5 m內(nèi)未有較硬土層。

3.5 35 kV海纜后挖溝情況

以12根青州三300 MW風(fēng)機平臺-風(fēng)機平臺的區(qū)間纜為例進(jìn)行時效分析，可得結(jié)果如圖11所示，12根青州三300 MW區(qū)間纜平均凈挖溝速率為7.2 m/min，而由于區(qū)間纜的作業(yè)順序安排得比較合理，大部分區(qū)間纜移船就位的時間與總時間比值控制在一個合適的范圍。區(qū)間纜35#-34#、24#-25#及43#-44#移船就位消耗時間較多是由于前期海纜鋪設(shè)未做后調(diào)查，兩端消耗段、甩彎段路由不準(zhǔn)確，這使得挖溝機就位時需要ROV輔助找纜。12#-22#區(qū)間纜凈挖溝用時消耗較大，主要原因是該段海纜路由彎曲、折曲部分較多，因而挖溝機在作業(yè)的過程中需要轉(zhuǎn)船及調(diào)整艏向找纜。

圖11 不同區(qū)間纜的時效分析

圖12 區(qū)間纜47#-48#Delta-T后調(diào)查效果圖

3.6 220 kV海纜后挖溝情況

220 kV海纜路由區(qū)選取KP33700-KP4129大約3 km的海纜路由段分析挖溝機的工作效率與下刀深度、噴臂壓力、反饋壓力的動態(tài)關(guān)系如圖13、圖14所示。

圖13 挖溝機工作效率與下刀深度、噴臂壓力的動態(tài)關(guān)系

圖14 挖溝機工作效率與下刀深度、反饋壓力的動態(tài)關(guān)系

由圖13、圖14分析可知，同樣土質(zhì)、噴射壓力、噴射流量和噴臂寬度情況下，噴射臂下深（即可挖溝深度）和挖溝速度成反比關(guān)系，特別是大于2 m挖深時，挖溝機行進(jìn)阻力明顯增加，速度下降較快。而從KP33500-KP22500的位置噴臂壓力及挖溝機反饋壓力均比較小可以看出，該區(qū)間段土壤硬度比較小，淤泥等結(jié)構(gòu)性強的黏土成分居多。

總體來說，QT1600挖溝機一次性實現(xiàn)3 m挖溝的同時保證挖溝速度難度較大，且與土質(zhì)有較大關(guān)系。為了進(jìn)一步提高作業(yè)效率可以從以下幾方面提高作業(yè)效率：1）僅挖直線段海纜，這樣船舶和風(fēng)機有較大安全距離，基本不需要過多調(diào)整艏向；2）規(guī)劃好區(qū)間纜作業(yè)順序，盡量減少來回移船和收放挖溝機時間；3）更換防滑（抓地）能力更強的挖溝機履帶；4）在水下能見度比較差的情況下使用更強力的探纜設(shè)備。

4 結(jié)論

本文對海底噴射式挖溝技術(shù)的背景，原理及國內(nèi)外常見的噴射式挖溝設(shè)備進(jìn)行了綜述，并在此基礎(chǔ)上分析了ROV式挖溝機QT1600在實際工程中應(yīng)用的案例。得到的一些主要結(jié)論如下：

1）噴射式挖溝作業(yè)通常是為了實現(xiàn)對海底設(shè)施的保護(hù)。無論是采用ROV式挖溝、滑靴拖曳噴射式挖溝或非接觸式后挖溝技術(shù)，首先應(yīng)當(dāng)充分考慮土壤性質(zhì)。噴射式挖溝機則在砂土和粉質(zhì)黏土海床基礎(chǔ)上具有優(yōu)勢，這主要得益于它自身的噴刀上噴嘴分布及高壓水形成噴射流的特性。其次是水深環(huán)境。噴射式挖溝機的挖溝性能很大程度上取決于作業(yè)水深、土壤條件、設(shè)備規(guī)格及海底管纜的特性。當(dāng)作業(yè)水深比較淺時，受環(huán)境土壤及自身設(shè)備的短板（部分電動機溫度過高，挖溝機信標(biāo)頻繁失位）影響，ROV噴射式挖溝機作業(yè)效率普遍不高；當(dāng)作業(yè)水深為1500～3000 m時，大部分ROV式挖溝機都能在砂土至硬黏土的土壤環(huán)境中實現(xiàn)3 m的最大埋深。

2）非接觸式后挖溝技術(shù)最大的優(yōu)勢在于，它不會對海管造成接觸損壞，同時設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單適用性廣；滑靴拖曳噴射式挖溝可達(dá)到的埋深比較大，同時對管纜的損傷也較小；自推進(jìn)噴射式挖溝優(yōu)勢在于，它可以依靠自身動力前進(jìn)且對支持母船的位置精度要求低，但在灘海區(qū)的作業(yè)效率較低[9]。對于地質(zhì)變化比較明顯的區(qū)域可以考慮采用不同類型的挖溝機進(jìn)行協(xié)同作業(yè)。

3）ROV式挖溝機QT1600在進(jìn)行實際挖溝作業(yè)時可以從以下幾個方面提高工作效率：首先是設(shè)備配件方面，選擇合適的挖溝機履帶應(yīng)對較惡劣的土質(zhì)環(huán)境。在水下能見度不好或作業(yè)區(qū)水淺的情況下使用TSS350等探纜設(shè)備；其次是作業(yè)內(nèi)容方面，選擇合適的作業(yè)順序及直線段海纜路由以減少調(diào)整艏向及移船時間。